¿Qué es y cómo funciona una bomba de calor?

Tanto para calentar como para refrigerar nuestro hogar o negocio, hemos de elegir el mejor sistema que teniendo en cuenta la combinación inversión-ahorro a largo plazo más se ajuste a nuestras necesidades.

Buscando por internet, todos nos hemos encontrado alguna vez con páginas que recomiendan la bomba de calor o sistemas que funcionan con bomba de calor, pero no nos explican qué significa eso de bomba de calor y cómo funciona este sistema, así como su relación con la eficiencia energética.

Es por eso que en este artículo te resolveremos esas dudas frecuentes que nos surgen las primeras veces que oímos hablar sobre la bomba de calor.

Qué es una bomba de calor

Resumiéndolo mucho, una bomba de calor es un dispositivo que utiliza una pequeña cantidad de energía para trasladar el calor de un lugar a otro. No es demasiado difícil, ¿verdad? Las bombas de calor se utilizan normalmente para extraer el calor del aire o del suelo para calentar una casa o un edificio de oficinas, pero pueden invertirse para enfriar un edificio.

La bomba de calor es un sistema que se compone de un circuito cerrado impulsado por energía eléctrica a través del cual uno o varios fluidos son sometidos a cambios de estado y de presión para así obtener el poder calorífico (o refrigerante) que se desprende de estos cambios y de la transmisión de uno a otro.

De esta forma, la bomba de calor se convierte en un sistema con una alta eficiencia energética debido al aprovechamiento de las leyes de la física en el sector de la climatización y en electrodomésticos. Como mueven el calor en lugar de generarlo, las bombas de calor pueden proporcionar un acondicionamiento del espacio equivalente a tan sólo una cuarta parte del coste de funcionamiento de los aparatos de calefacción o refrigeración convencionales.

Cómo funciona una bomba de calor

La bomba de calor fue desarrollada por el científico austríaco Peter von Rittinger en 1856 a partir de tres principios de transmisión de calor entre fluidos y mediante cambios de estado y de termodinámica descubiertos por William Thomson (Lord Kelvin) 5 años antes. Estos principios básicos eran:

• Cuando dos cuerpos o fluidos a distinta temperatura entran en contacto, el calor se transmite del más caliente al más frío tendiéndose a iguala la temperatura de ambos.
• Cuando un fluido pasa de estado líquido a gaseoso (evaporación) absorbe calor y, por tanto, desprende frío. A su vez, cuando un fluido se condensa pasando de estado gaseoso a líquido desprende calor.
• Cuando un cuerpo o fluido es sometido a un descenso brusco de presión, su temperatura descenderá y viceversa si se le somete a un aumento de presión.

Hay varios tipos de bomba de calor según el fluido que utilizan para el proceso. Pueden ser aerotérmicas, hidrónicas o geotérmicas. No nos detendremos ahora en esto, ya que lo hemos explicado de forma más detallada en otro artículo del blog.

Componentes importantes de un sistema de bomba de calor

Para explicar el funcionamiento de una manera lo más sencilla posible, vamos a tomar como ejemplo un sistema típico de bomba de calor con fuente de aire (aerotérmica), el cual consta de dos componentes principales, una unidad exterior (que se parece a la unidad exterior de un sistema de aire acondicionado split) y una unidad interior de tratamiento de aire. Tanto la unidad interior como la exterior contienen varios subcomponentes importantes:

• Unidad exterior. Contiene una bobina y un ventilador. La bobina funciona como condensador (en modo de refrigeración) o como evaporador (en modo de calefacción). El ventilador impulsa el aire exterior sobre la bobina para facilitar el intercambio de calor.
• Unidad interior. Al igual que la unidad exterior, la unidad interior, comúnmente denominada unidad de tratamiento de aire, contiene una bobina y un ventilador. La bobina actúa como un evaporador (en modo de refrigeración) o un condensador (en modo de calefacción). El ventilador se encarga de mover el aire a través de la bobina y de los conductos de la vivienda.
• Refrigerante. El refrigerante es fluido que absorbe y desprende el calor al circular por el sistema de la bomba de calor.
• Compresor. El compresor somete a presión al fluido refrigerante y lo mueve por todo el sistema. Requiere de energía eléctrica para desempeñar su función.
• Válvula inversora. La parte del sistema de la bomba de calor que invierte el flujo de refrigerante, permitiendo que el sistema funcione en la dirección opuesta y cambie entre calefacción y refrigeración.
• Válvula de expansión. La válvula de expansión actúa como un dispositivo de medición, regulando el flujo del refrigerante a medida que pasa por el sistema, permitiendo una reducción brusca de la presión y, por tanto, de la temperatura del fluido refrigerante.

Funcionamiento de un sistema de bomba de calor

Una de las cosas más importantes que hay que entender sobre el funcionamiento de las bombas de calor y el proceso de transferencia de calor es que la energía térmica quiere desplazarse de forma natural a zonas con temperaturas más bajas y menos presión. Las bombas de calor se basan en esta propiedad física, poniendo el calor en contacto con entornos más fríos y de menor presión para que el calor pueda transferirse de forma natural. Así es como funciona una bomba de calor.

Para continuar con el propósito de explicar el funcionamiento de una manera lo más sencilla posible, usaremos el mismo tipo de bomba de calor aerotérmica que extrae aire caliente del interior para bombear aire frío al interior y expulsar aire caliente hacia el exterior.

Cómo funciona una bomba de calor en modo refrigeración

• Paso 1. El refrigerante líquido se bombea a través de un dispositivo de expansión en la bobina interior, que funciona como evaporador. El aire del interior de la casa se hace pasar por las bobinas, donde el refrigerante absorbe la energía térmica. El aire frío resultante se expulsa por los conductos de la casa. El proceso de absorción de la energía térmica ha hecho que el refrigerante líquido se caliente y se evapore en forma de gas.
• Paso 2. El refrigerante gaseoso pasa ahora por un compresor, que lo somete a alta presión. El proceso de presurización del gas hace que se caliente (una propiedad física de los gases comprimidos). El refrigerante caliente y presurizado se desplaza por el sistema hasta la bobina de la unidad exterior.
• Paso 3. Un ventilador en la unidad exterior mueve el aire exterior a través de las bobinas, que sirven como bobinas del condensador en el modo de refrigeración. Dado que el aire del exterior de la vivienda es más frío que el refrigerante de gas comprimido caliente de la bobina, el calor se transfiere del refrigerante al aire exterior. Durante este proceso, el refrigerante se condensa de nuevo a un estado líquido mientras se enfría. El refrigerante líquido caliente se bombea a través del sistema hasta la válvula de expansión de las unidades interiores.
• Paso 4. La válvula de expansión reduce la presión del refrigerante líquido caliente, lo que lo enfría considerablemente. En este punto, el refrigerante se encuentra en un estado líquido y frío y está listo para ser bombeado de nuevo a la bobina del evaporador en la unidad interior para comenzar el ciclo de nuevo.

Cómo funciona una bomba de calor en modo calefacción

Una bomba de calor en modo de calefacción funciona igual que en modo de refrigeración, salvo que el flujo de refrigerante se invierte gracias a la bien llamada válvula de inversión. La inversión del flujo significa que la fuente de calor se convierte en el aire exterior (incluso cuando las temperaturas exteriores son bajas) y la energía térmica se libera dentro de la vivienda. La bobina exterior tiene ahora la función de un evaporador, y la bobina interior tiene ahora el papel de condensador.

La física del proceso es la misma. La energía térmica es absorbida en la unidad exterior por el refrigerante líquido frío, convirtiéndolo en gas frío. A continuación, se aplica presión al gas frío, convirtiéndolo en gas caliente. El gas caliente se enfría en la unidad interior haciendo pasar aire, calentando el aire y condensando el gas en líquido caliente. El líquido caliente se libera de la presión al entrar en la unidad exterior, convirtiéndose en líquido frío y renovando el ciclo.

Conclusión

Una bomba de calor es un sistema de refrigeración y calefacción versátil y eficaz. Gracias a una válvula de inversión, una bomba de calor puede cambiar el flujo de refrigerante y calentar o enfriar una vivienda. El aire pasa por un serpentín evaporador, transfiriendo la energía térmica del aire al refrigerante. Esa energía térmica circula por el refrigerante hasta una bobina del condensador, donde se libera cuando un ventilador sopla aire a través de la bobina. Mediante este proceso, el calor se bombea de un lugar a otro.

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